Java运行时环境之ClassLoader类加载机制详解

1. 背景

在Java程序运行过程中，Java虚拟机会将Java程序的.class字节码文件加载进内存中执行。然而，如果所有的.class文件都加载进内存，会导致内存占用过高，因此Java采用了ClassLoader类加载机制，只有在需要使用某个Class时才会动态加载进内存。本文将详细讲解ClassLoader类加载机制的实现过程。

2. ClassLoader类的职责

ClassLoader是Java中的一个类，它负责将Class字节码文件加载进内存，并通过字节码来创建Class对象。ClassLoader中有两个重要的方法，loadClass和findClass，其中loadClass方法是ClassLoader的默认实现，它使用双亲委派机制加载类；而findClass方法是ClassLoader的抽象方法，它定义了子类自己的类加载行为。

3. 双亲委派机制

在解释ClassLoader的默认实现之前，需要先了解一下双亲委派机制。双亲委派机制指的是，在类加载时，先让父类加载器去尝试加载，如果父类加载器加载失败，则让当前ClassLoader去加载，如果还是失败，则交由子ClassLoader去加载。这样的机制保证了对于每个类，只有一个ClassLoader去加载，避免了出现同名类不同ClassLoader的情况。

4. ClassLoader的默认实现

ClassLoader类的默认实现是通过双亲委派机制来加载类的。当一个类需要被加载时，ClassLoader会先尝试将这个任务委派给它的父类加载器去加载，如果父类加载器加载失败，则尝试在自己的classpath中寻找并加载。

下面是一段示例代码，展示了ClassLoader类的默认实现：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

        try {
            // 加载Test类
            Class<?> clazz = systemClassLoader.loadClass("com.example.Test");
            System.out.println(clazz.getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这段代码中，ClassLoader首先获取了系统类加载器，然后使用系统类加载器加载了名为"com.example.Test"的类。

5. 自定义ClassLoader

如果需要实现自定义的ClassLoader，需要继承ClassLoader类，并实现findClass方法。findClass方法中需要通过给定的类名在指定路径中加载对应的.class字节码文件，然后使用defineClass方法创建对应的Class对象。

下面是一个自定义ClassLoader的示例代码：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String baseDir;

    public MyClassLoader(String baseDir) {
        this.baseDir = baseDir;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = loadClassData(name);
        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 根据className和baseDir获取.class文件的路径
        String fileName = baseDir + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        File file = new File(fileName);

        // 读取文件内容
        ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
        try (FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file)) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
                outputStream.write(buffer, 0, length);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return outputStream.toByteArray();
    }
}

在这个自定义ClassLoader中，我们在构造器中传入了一个路径，并在findClass方法中根据给定的类名在该路径下查找对应的.class文件，并通过defineClass方法创建Class对象。

6. 示例

在上面的代码中，我们通过MyClassLoader加载了指定路径下的.class文件。现在，我们来编写一个实际的使用例子，使用这个ClassLoader来加载一个自定义的类。

我们先在工程的src/main/java目录下创建一个名为"com.example.Test"的Java文件：

package com.example;

public class Test {
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello world!");
    }
}

然后，我们使用以下代码来测试自定义ClassLoader的功能：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建自定义ClassLoader
        String baseDir = "D:\\workspace\\Test\\target\\classes";
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader(baseDir);

        try {
            // 使用自定义ClassLoader加载Test类
            Class<?> clazz = myClassLoader.loadClass("com.example.Test");
            System.out.println(clazz.getClassLoader());

            // 创建Test类的实例并调用方法
            Object obj = clazz.newInstance();
            Method method = clazz.getMethod("sayHello");
            method.invoke(obj);
        } catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个代码中，我们创建了一个自定义ClassLoader，并在指定路径下查找加载了"com.example.Test"类。然后，我们使用反射创建了Test类的实例，调用了其中的sayHello方法，输出了"Hello world!"。这表明我们使用自定义ClassLoader成功加载了该类，然后在内存中创建了对应的Class对象。